一种典型连杆机构的运动学仿真及优化设计分析

1、增刊2008 年 1()丿 JSuppkm entOctober 2(X)8江西蓝天学院学报JOURNAL OE JIANGX I B1UE SKY UN KEKSm一种典型连杆机构的运动学仿真及优化设计分析徐桂梅周立志辜文娟(江西蓝天学院数控系 江西 南昌330()98)摘 要：为了更好地对连杆机构的运动性能进行分析研究，采用仿真分析软件ADAX1S对一种典型的连杆机构进荷了 运动学仿真及优化设计分析。仿真时以冬较点的坐标为设计变量进行设计研究.分析出对工作性能影响最大的三 饨量 为“ D、“ DV_8”和“ DV()”°同时以这三变量为优化对象，并以关虢较点【)点的最大受力达到最

2、小值来建立目标 函数进巧对机构进行优化设计。优化结杲表明机构工作时的机械传动性和安全可靠性得到了提高。关谴词：ADAMS 连杆机构 运动仿真 优化设计中图分类号：TH 137文献标识码：A文章编号：123(2008增)-032- M°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.0引言连

3、杆机构是许多机械上都广泛便用的运动机构。它的 构件运动形式多样,如可实现转动、摆动、移动和平面或空 间复朵运动有彳f显著的优点如:运动副单位面积所受床力 较小，且面接触便于润滑.故磨损减小；制造方便，易获得较 高的精度等等，从而广泛应用丁备种机械、仪农和机电产品 "所以对连杆机构的运动性能进行分析和设il意义巫大。利用专用软件对机构进彳J：动力学仿真和优化设计，在 一立程度上捉高r设讣的质磺和效率.但这类软件往往只 是针对某种具体要求开发的，适应性、透明性及可视性差, 常常只能分析儿个特殊位置.不能真实完整地显示出匸作 过程的全部情况。而利用ADAM S软件中的Viav模块进行 运动

4、学仿真与优化设计，能够较好地解决上述问题。因此. 通过采用ADAM S对典熨连杆机构的运动仿真及优化设计 进行了分析研究，相关分析结果可提高机构工作时的安全 可靠性；同时也为其它丄程机械的优化设汁提供r 一种参 考。1连杆机构简介连杆机构是由若干个刚性构件用低副联接所组成具 冇传递和变换运动实现力的传递和变换的功能。如图I所 示的机构就足最好的实例。它是曲连杆机构嚴廉本的熨式 平而四杆机构以及在它的卑础上演化而成的曲柄滑块机 构相结合的连杆机构。在此机构中构件1为机架与机架 构成运动副的构件245称为连架杆IL与机架组成整转副 的连架杆2为曲柄与机架组成摆动副的连架杆*5为摇 杆,不与机架组成

5、运动副的构件入6称为连杆。图1连杆机构简图曲柄摇杆机构的杆件长度满足格拉希夫定理小，也就 是组成整转副的两个构件中必有一个最短杆，最短杆与最 长杆的长度之和必小丁或等丁比余两构件的长度之和。图 I* a角为压力角，而其余角Y为传动角，显然传动角越大，则 有效分力几越大，而径向压力F.越小，对机构的传动越有 利。因此，在连杆机构中,常用传动角的大小及其变化情况°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.°C 3駕 94-2012China Academ

6、ic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.收稿日期：2(X)8- 04- 3()作者简介：徐桂梅(1963- ),女，江西南昌人,江西蓝天学院，工程师。研究方向:金属材料表面强化. 周立志(1983-).男，吉林延边人，江西蓝天学院，硕士.研究方向：激光表面改性.°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.江西蓝天学院学报(2008)°C 3駕 94-2012China A

7、cademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.來衡磺机构传力性能的优劣。在机构的运动过程中，传动角 的大小是变化的.为了保证机构具有良好的传力性能.设计 时通常应使V_. > 40°当然对于高速和大功率的传动机械. 应使 J > 50。连杆机构设计的呈木问题是根据给定的耍 求选定机构的熨式确定备构件的尺寸，同时还

8、要满足结构 条件(如要求存在曲柄、杆长比恰当等八动力条件如适当 的传动角等)和运动连续条件等.连杆机构的tan-方法仃解 析法、作图法和发展的计算机辅助设计方法等等,每种方法 各有特点及其适用范围朗日方程方法建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行 静力学、运动学和动力学分析输出位移、速度、加速度和反 作用力曲线°该软件的仿K可用于预测机械系统的性能、 运动范用、碰掃检测、峰值载荷以及计算冇限元的输入找荷 等。该软件包括核心模块ADAMS/Vicw和ADAM S/Solvei; 以及其他扩展模块。其中ADAMS/V氐提供了 -个宜接而 向川户的垠本操作对话环境和虚拟样机分析的IJU处理

9、功 能，其屮包括样机的建模和各种建模11、样机模型数据的°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.如图1所示，某种典型连杆机构的摇杆3长度为 10(如m.设计耍求传动角不小于4()。根据曲柄摇杆机构的 条件以及给出的设计参数，设定曲柄1为仏连杆2为h摇杆 输入与编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虎拟样 机分析参数的设胃、各种数据的输入和输出、同比他应用程 序的接口等。冈此饺链连杆机构的优化设计采用ADAMS/°C 3駕 94-2012Chin

10、a Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.3为 c£L c = lOOrnn.架杆 4为 d.曲柄 5为 ell e = 1 /2c 连 杆6为八可得到以下约束条件：(1丿杆长条件(I + I)< 6 + q d + b < a + q (1 + c < a + Ik(1 <d < h d < g e < J(2)传动角条件Ym in > 40°也就有： “X + c? - (l2 - a2 ), 、Y = arc cosz-; (

11、1)2bcY” = 18(十-(“cco+ 矿：J 才“丿 (2)2 he比较Y和Y"得到其疑小传动角，且使Y . > 4(fofn tn对丁这种类熨的求解问题，不管是采用解析法还是作 图法都不是理想的方法，解析法求解过程复杂.容易出问 题.而作图法求解不定能粘确的得到优化设讣结果.因此 采用计算机辅助求解是设计者必须聲选择的方法对r- h面的设讣实例，根据其约束条件，可取各杆长的 范围,有;2(nm < a < 60nm6()fi/fi S b <l()0nm9()n m < (1 < 140/j/n2运动学仿真分析连杆机构的运动学仿真分析是旱于

12、虚拟样机技术的商 业软件ADAMS來完成。ADAMS ( Autanath Dyiuin ic Anass of Mechanical Sys ton)软件是美国 MI) 1( M edianical Dynan ics Inc)公诃开 发的机械系统动力学仿其分析软件它使川交互式图形环 境和零件库、约束库、力库创建完全参数化的机械系统儿 何模熨其求解器多采用多刚体系统动力学理论中的拉格 V 15V模块.2 I参数化建模仿真建模过程如下M：2 1. 1对于连杆机构首先根据工作机构的节点尺寸 (各杆件和机架长度),按图示的坐标系将结构尺寸换算成 各饺点的坐标。2 1. 2以各饺点坐标建立设计点，利

13、用ADA'I S的零 件库建立连杆机构的模吃，创建模空必须使机械的位咒与 设计点连在一起。2 1. 3对建立好的模型添加约束和驱动。各饺点添加 驱动副.滑块添加移动副并利川函数对其添加驱动。2 1. 4对模型进彳j仿真，检査模型是否正确。根据上述建模过程所建芷的连杆机构模型如图3所刁亠 其中，机构模型的约束和驱动设置也在图3中标出。运动仿真时,连杆机构曲柄1在旋转驱动(A点)作用 下作整转运动，滑块-端施加弹簧力，设置弹簧刚度(K)为 80Q阻尼(C)为(15。仿真过程设置终止时间为L 1作步 为10Q控制曲柄刚好运动一周。然后测量出初始模型传动 角的变化和各个狡点的受力变化。各个钱点

14、的受力变化曲 线如图4所示.从图可得出饺点A、B、C受力变化相同.饺点 E、F受力变化相同，狡点D受力最大,也就是说饺点D出最 容易出问题。为了保证幣个连杆机构匸作的安全可靠性， 33http:/ °C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.徐桂梅、周立志、辜文娟：种典型连杆机构的运

15、动学仿冀及优化设计分析（ 2008）°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.应以饺点1）为研究对象进行优化。2 2设计研究对连杆机构设计点位置进行参数化，即创建设计变量。 利用A DAMS A hv提供的设讣研究（DespnSiidy）功能对每 个变磺进行优化.从生成的设计研究报

16、告及优化过程曲线 变化情况可以得出一下信息叫1）、设计变量的变化对样机 性能的影响：2）、设计变虽的最佳取值；3）、设计变量的灵瞰 度。设计变嶺优化后的结果如表L& 1设计变量优化结果设计变駅名称设计点位进初始值隹初始位进 的敏感度/（N /mi）绘优值DV 1Pi)h x0一 160. 791DV 2PDh V0-281. 461I)V 3PI) IX 2x12()23(1 43114 0DV 4PDh 2v0964. 85一 1DV 5PDh 3x6033. 96154DV 6PDh Jv8()一 243. 5388)V 7PI)h,4x一 1()131. ()3一 11)V 8P

17、I)h,4v40326 9236DV J)PI) I5x150-133. 41152 5DV 10FIX 5v401170 436I)V 11PDh 6x刃0102 99264I)V 120397. 081山表1可以看出设计变鼠DV（T 和“DV2”的灵敏度最大,也就是说PK）N_2y、PDN_4h PI）N_5y和PI）IN_6y的位豐变化对连杆机构狡点D的受 力影响垠人但是饺点F的位置不能变，所以只对PDN.2>sPI）IN_4y. PDIN-5y三个关键位置点进行优化设计从 而获得饺点1）的授大受力最小。3优化设计优化设计时.首先根据设计婆求修改由设计研究分析 得到的三个设计变试.

18、即定义三个变戢的变化范用。选样 H标西数和定义约束条件.这电取冃标西数的最小值为优 化H标然后进行优化分析系统完成对连杆机构的优化 后通过曲线窗E可以直观地看到目标函数在优化过程中 的变化悄况图5农乐H标两数所有迭代试验时的变化情 况,图6表示冃标换数相对于迭代次数的变化悄况.即连杆 机构山初始模熨向优化模熨升级过程中饺点I）的受力变 化。从图5和图6中我们只能看到曲线的变化而系统提供 的优化结果信息窗n则可以得到H标函数每次迭代数据, 如图7所示。It*01旳4W 1C02啊0.0CK-040.00)40.0W11W3. 2.000)U.0O3-3S.00321738.2. COW3.003

19、34.99S图7信息窗1丨由优化结果信息窗口可看出:三个饺点H）hT2y（设计变量DV/）、FDN_4y（设让变鼠DV_8）和FK）N_5y（设讣 变量DV0）的值分别为.2 （）00、3 6 000、- 34 955时目标 函数为显优结果，优化后的模型饺点I）处的受力山眾初役 计模型的24883N变为17068N.优化设计升级后的连杆机 构模型如图8所示，与初始模型图3的不同在丁优化模型RD和E三个饺点y坐标方向发生了变化。图8优化设计升级模熨最后，对优化后的模型进行分析验证，图9所示为传动角的测试结果通过图9不娥发现优化设讣结果在満足LI标°C 3駕 94-2012China A

20、cademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.江西蓝天学院学报(2(X)8)°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.函数和约束条件的前提卜保证了传动角大于40°,也即保证 了机构的传动性

21、能。图10为优化后的模型各较点的受力变化曲线，与图4对比可看出优化厉的模熨以个较点的受力都冇所下降其最人受力JI体变化帖况如农2所示。饺点初始垃人受力优化后最大受力A. Ik C6655. 6391427. 3415I)248 SA 46371706K ()286Ex F20159. 023214736 4878验证结果表明优化厉的连杆机构員有良好的机械传动 性和安全可靠性，即达到了最初的优化设计冃的。4结束语通过对连杆机构的参数化建模、狡点的优化设计.以及 对传动角的分析，町使得连朴在保证传动性能的惜况卜关 键饺点的受力大大的减小，满足了设计要求。但优化分析过程中.因连杆机构的匸作性能为多H

22、标 函数，所以仅以饺点受力建立H标函数.不能全面优化装伐 机的工作性能。如机构在有些应用中耍求滑块移动能得到 玻犬丄作力或是耍求同样的匸作条件下所需驱动力最小 等。今后可考电采用加权系数，建工综合性能的目标函数. 得到更好的连杆机构的机构参数使Z能够在各类机械的 优化设计中得到更充分的应用。°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.°C 3駕 94-2012China Academic Journal Electronic Publishing H

23、ouse. All rights reserved.参考文献:表2模熨优化前后齐饺点最大受力| 1申永胜.机械原理教程|1 .北京：淸华大学出版社.20()32李永旭，刘钊，爷小江.平面连杆机构计算机建模与通用分析软件的开发J机械设计,2006 23(5): 58- 603尹辉俊.虚拟环境下白卸车举升机构的运动仿真与优化J机械设计,2006 23( 5): 30- 324李柳,程志红.装载机工作装置参数化建模优化分析JJ.煤矿机械,2006 27 ( 9): 34- 35| 5李军,邢俊文.ADAMS实例教程M 北京:北京理工大学出版社,2(X)2(贡任编辑：章建华)Analy sis on

24、tlieM otkn Simulation and Optini izationDesn of a Typical Link M echanisniX U Gu i- m ei ZllOU Li- zhi (；U Wen - juan(Deparnen t(f! im erica I Control J iangx i Blue Sky Lnirersit)； N an chan J ii nx i 330098 )Abstract To better study and research the movement perfbmanoe of the link m echai) inn his paper aiiahzes the m ot icn smuhtbn and optin ization desjgn by arlopthg the sin ulat nn ana lysis sofwaie A DAM S In th